柯長福 朱學元 王旭彬

摘要：二氧化碳氣體保護焊作為常用焊接的方法之一，具有效率高、優(yōu)質(zhì)、成本低、適合全位置和全自動焊接被廣泛應用。隨著設計多元化，對復雜結構大厚度低合金高強鋼產(chǎn)品應用及需求日益趨于增多。焊接難度隨著板厚度增加也在逐步增加，想要高質(zhì)量、低成本、高效率生產(chǎn)就必須提高探傷合格率。探傷合格率不穩(wěn)定，對相關影響因素、注意事項、個人技能、缺陷防治等環(huán)節(jié)進行分析研究，從生產(chǎn)制作開始到成品檢驗，制造過程嚴格控制才能進一步提高探傷合格率。

關鍵詞：二氧化碳氣體保護焊??? 大厚度低合金高強鋼?? 提高探傷合格率

我國金屬加工制造產(chǎn)量大，隨著市場需求擴張，80年代初期我國開始推廣使用二氧化碳氣體保護焊，至今已在我國建筑、壓力容器、石油化工、工程機械、農(nóng)牧機械、汽車制造等行業(yè)得到廣泛應用。

其中有相當數(shù)量的設備和產(chǎn)品，如不采用焊接就不可能制造。制造業(yè)發(fā)達國家一般鋼產(chǎn)量的40%左右時經(jīng)過焊接加工才成為產(chǎn)品的。

二氧化碳氣體保護焊是利用二氧化碳（混合氣）為保護氣體的熔化極氣體保護焊。二氧化碳氣體保護焊具有很多優(yōu)點，它已廣泛應用于焊接低碳鋼和低合金高強鋼。然而在焊接中出現(xiàn)的問題也不能忽視，接下來我們談談二氧化碳氣體保護焊焊接大厚度低合金高強鋼提高超聲波探傷合格率的方法。

主要缺陷形成原因

二氧化碳氣體保護焊的缺陷主要由操作引起的，以下是集中在焊接過程中常見的焊接缺陷：

1.夾渣與夾雜

殘留在焊縫中的熔渣稱為夾渣。由焊接反應產(chǎn)生的、焊后殘留在焊縫金屬中的非金屬雜志稱為夾雜。

夾渣形成原因：1）焊接電流過小，造成熔渣流動性減?。?）擺動不當，鐵水沒有與焊縫熔合就已經(jīng)跑在熔池前面：3）多層多道焊接時層間清理不夠徹底。

夾雜形成原因：1）焊絲不合適：2）焊接參數(shù)不合適：3）電弧過長。

2.氣孔

在焊接時，熔池當中的氣體在凝固前為未能及時逸出停留在焊縫中形成的空穴稱為氣孔。

焊縫中存在氣孔的根本原因是熔池金屬中存在大量氣體，在熔池凝固過程中氣體來不及逸出，殘留在焊縫中。

焊接時，如果使用化學成分不合格的焊絲，純度不符合要求的二氧化碳氣體及不正確的焊接焊接工藝等，焊縫中可能產(chǎn)生氣孔，氣孔主要有一氧化碳氣孔、氮氣孔和氫氣孔三種。

3.未熔合

熔焊時，焊道與母材之間或者焊道與焊道之間，沒有完全熔化結合的部分稱為未熔合。

焊接時焊接參數(shù)不合適，電流過小、電壓過低或者焊接速度過快，焊絲擺動不到位，焊槍傾斜角度沒有對準偏向一邊，坡口上面殘留的油、銹或其他污物都有可能引起未熔合。常見的未熔合有根部未熔合、層間未熔合和側壁未熔合。

4.焊接裂紋

焊接裂紋是危害最大的焊接缺陷，是焊接結構和壓力容器發(fā)生突然性破壞造成災難性事故的最重要原因之一。焊接裂紋不僅直接降低了焊接接頭有效的承載面積，而且還會在裂紋尖端形成應力集中，使裂紋尖端的應力大大超過了焊件的平均應力，易發(fā)生突然脆性斷裂。接頭焊縫中產(chǎn)生的裂紋包括：熱裂紋、冷裂紋、再熱裂紋和層狀撕裂四大類。

熱裂紋是焊接過程中，焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)產(chǎn)生的裂紋。

冷裂紋是焊接接頭冷卻到較低溫度下（對于鋼來說，在Ms溫度以下）產(chǎn)生的裂紋。

再熱裂紋是焊件在一定溫度范圍內(nèi)再次加熱（消除應力熱處理或其他熱過程）產(chǎn)生的裂紋。

層狀撕裂是焊接構件中沿鋼板軋層形成的一種呈階梯狀的裂紋。

二、焊縫超聲波檢測

人們把能引起聽覺的機械波成為聲波，頻率在20～20000Hz之間，低于20Hz的機械波稱為次聲波，頻率高于20000Hz的機械波稱為超聲波，超聲波檢測所用的頻率通常在0.5～15MHz之間，對鋼等金屬的檢測常用頻率為1～5MHz.

我們之所以選擇用超聲波時因為有以下幾方面的特點：

a.方向性好

b.能量高，能穿透很厚的工件

c.能在界面產(chǎn)生反射波、折射等波形轉(zhuǎn)換

d.穿透能力強

1.超聲波檢測及設備

焊接接頭超聲波檢測常用的主體設備是超聲波檢測儀，它的作用是產(chǎn)生電磁振蕩并加于探頭上，激勵探頭發(fā)生超聲波，同時將探頭產(chǎn)生的電信號進行放大，通過一定的方式顯示出來，從而獲得被檢工件內(nèi)部有無缺陷、缺陷的位置、和缺陷大小等信息。

對于新購置超聲波檢測儀或者經(jīng)過維修和更換過主要部件要對其組合的綜合性能進行測定確認，組合型能包括水平線性、垂直線性、組合頻率等。根據(jù)標準規(guī)定水平線性偏差不大于1%，垂直線性偏差不大于5%，儀器和探頭組合率與探頭標稱頻率之間偏差不得大于±10%，我們用縱波直探頭和橫波斜探頭進行檢測。對焊接接頭進行超聲波檢測前探頭和儀器調(diào)節(jié)發(fā)生改變時，懷疑掃查靈敏度有變化時，連續(xù)工作4h以上時，要對探頭儀器系統(tǒng)的復核，先調(diào)節(jié)通道參數(shù)，測定前在CSK-I試塊上進行自動校準，同時測出探頭的前沿，然后測出k值，根據(jù)待測街頭的厚度在試塊上做出距離波幅曲線，完成后進行修正，復核組合的水平距離和垂直距離。

2.超聲波探頭

在超聲檢測中，超聲波的發(fā)射和接受時通過探頭來實現(xiàn)的，超聲波檢測用的探頭的種類有多種，根據(jù)波形的不同分為縱波探頭、橫波探頭、表面波探頭等，根據(jù)耦合方式分為接觸式探頭和液浸探頭。

3.超聲波探傷耦合劑的選用

超聲耦合劑時為了改善探頭與工件之間聲能的傳遞，提高超聲波在探傷界面上聲強往復透射率，耦合劑還有減少摩擦的作用，減小探頭磨損。一般比較常見的耦合劑有機油、水、水玻璃、甘油、化學糨糊等，一般耦合劑應滿足一下要求：

1）能濕潤工件和探頭表面，流動性、粘度和附著力應適當，容易去除;

2）聲阻抗盡量與被檢工件材料接近，聲透性能好;

3）對工件無腐蝕，對人體無害，不無污染環(huán)境;

4）性能前穩(wěn)定，不易變質(zhì)并能長期保存;

5）來源方便，價格低廉;

3.試塊的選用

試塊是按一定用途設計制作具有簡單幾何形狀人工反射體的式樣，試塊和探頭、儀器一樣是超聲波檢測的重要工具，對試塊的選用有以下幾方面參考標準：

1）確定檢測靈敏度;

2）測試儀器和探頭的性能：

3）調(diào)整掃描速度;

4）評判缺陷大小;

4.檢測方法和檢測等級

焊接接接頭內(nèi)的氣孔、夾渣為立體型缺陷，危害較小，裂紋、未熔合、未焊透是面積型缺陷，危害大。在焊接接頭檢測時，由于焊縫余高的存在及焊縫中的裂紋、未熔合、未焊透等危害大缺陷往往與檢測面成垂直或成一定的角度，因此一般檢測主要用橫波斜探頭檢測，同時輔助縱波直探頭。對于厚度在25～150mm之間的焊接接頭一般用K1/K1.5/K2的斜探頭，對于探頭K值得選擇因使聲束能掃查到整個焊縫截面，使聲束中心盡量與缺陷垂直，保證有足夠的檢測靈敏度，探頭的探查速度一般為150mm/s，掃查靈敏度一般應比基準靈敏度高6dB.

超聲波檢測技術等級分為A/B/C三個等級，C級為最高等級，一般適用于6～500mm焊接接頭的檢測，對于中厚板一般選用三種斜度探頭雙面雙側檢測，對于厚度大于40mm的接頭應增加直探頭檢測，焊接接頭應進行橫向缺陷檢測。

三、防治方法

1.制造過程中的主要工藝因素

焊接參數(shù)：焊接過程中參數(shù)調(diào)整不合適很容易造成缺陷產(chǎn)生，尤其是60-150mm這樣的大厚板焊接過程中，平焊和橫焊時電流應不超過240-280A，焊接探傷焊縫時，電壓應適當調(diào)大，保證熔池稀薄為宜利于熔池金屬中氣體快速逸出，從而減少氣體殘留。焊絲伸出長度保持在10倍焊絲直徑為宜，干伸長保持不變是保持焊接穩(wěn)定的基本條件。

焊接角度：焊接時應盡量保證焊槍嘴與焊縫成垂直狀態(tài)，角度傾斜過大氣體保護不好易形成紊流。減弱氣體對熔池的保護作用。

坡口制備：大厚板焊接時坡口制備通常會考慮效率和經(jīng)濟因素。坡口形式應選擇時，在保證焊透的前提下，因考慮坡口的形狀容易加工、焊接效率高和焊接后工件變形應盡可能小等因素。在大多數(shù)焊工能通過的情況下盡可能開小的坡口。坡口通常由三種方法制備：

火焰切割。優(yōu)點是成本低、效率高、操作簡便，但坡口形式、角度單一。

機加工制作。優(yōu)點是坡口精度高，更適合在角度狹小，視線難以看到的結構中，但加工成本高，切削液及潤滑液殘留容易引起缺陷產(chǎn)生。

3）碳弧氣刨清根，優(yōu)點是可以視現(xiàn)場結構和焊縫形式隨機應變，加工想要的任何尺寸，不受設備限制，但對操作者要求較高，操作難度大。通常情況下坡口內(nèi)清根處理不光滑會導致易夾碳及夾銅。需要更為嚴格和細心的打磨。坡口檢查干凈與否可借助高強光手電，不同角度照射更容易將清根缺陷暴露在視線當中，以便及時去除。

氣體保護 ：為防止焊接過程中額外的因素造成氣體流量不足，應比平常焊接時氣體流量稍大至20-25ml/Min。但保護效果并不是流量越大保護越好，保護氣超過臨界值，從噴嘴中噴出的保護氣會由層流變成紊流，會將空氣卷入保護區(qū)，降低保護效果，是焊縫出現(xiàn)氣孔。

焊接順序：焊縫只有一次成型的機會，提前規(guī)劃好焊接方向、長度、先后等。焊接時宜采用倒接頭形式，后一道焊縫收弧時在前一道焊縫起弧處擺動并停留一定時間，讓熔池存在時間更長，上一道焊縫起頭處因溫度等原因未完全逸出的氣孔及未熔合等缺陷可以消除。

預熱及保溫：常溫下焊接時應預熱焊縫兩側100-150mm范圍，溫度100-150攝氏度左右。在低溫及冬季施工時還要增加預熱溫度150-200攝氏度。低溫及冬季施工時須保證構件環(huán)境溫度在15攝氏度左右。預熱能夠減少層間溫度溫差大造成的焊縫快速冷卻，減少裂紋的產(chǎn)生。焊接完成后及時準確的保溫能夠利于減緩焊縫快速冷卻造成焊接缺陷的產(chǎn)生。消除應力集中，讓更多焊縫中的氣體來得及逸出。

2.材料因素

選擇質(zhì)量合格的金屬材料有利于增加探傷合格率，如采用非標的金屬材料本身就有一定的超標缺陷。

薄板低合金高強度鋼焊接性能良好，隨著板厚的增加焊接難度也越來越大。首先焊接的層數(shù)越多，遍數(shù)也越多。接頭越多越容易產(chǎn)生焊接缺陷。缺陷的累加導致探傷超標。其次材料越厚，焊縫熱傳導越快，溫度流失加劇。更容易產(chǎn)生裂紋和氣孔等缺陷。

焊接起始溫度與正式焊接時間不易間隔太久，焊接時間延遲增加熱量流失，缺陷產(chǎn)生數(shù)量和時間延長成正比。

焊接材料干燥并質(zhì)量合格，不應超過有效期限以內(nèi)。焊絲隨用隨取，不必提前將外包裝紙殼去除。提前去除易受潮，返銹。

3.環(huán)境因素

正常溫度下，焊接作業(yè)時按焊接工藝要求執(zhí)行就好。極端環(huán)境條件下不能忽視環(huán)境因素帶來的不利影響。在西北等寒冷地區(qū)，每年的低溫時間長，溫度低，晝夜溫差大，冬期施工難度加大。焊接作業(yè)開始前，構件周圍環(huán)境溫度的保持尤為重要。達不到一定的溫度應拒絕施焊。

4.操作技能

正確的焊接工藝、良好的操作習慣和豐富的焊接經(jīng)驗是焊接合格焊縫的必要條件。操作前仔細觀察焊縫待焊區(qū)域處理狀況，及時清理含有硫、磷、油脂及切削液等雜志。

?焊接厚板常采用多層多道焊接的方式，它的特殊作用在于焊接時線能量小，能改善接頭性能，后一道焊縫對前一道焊縫再次進行加熱，相當于對前一道焊縫進行了一次正火處理。施焊前應觀察焊縫布局和結構，加焊結束后確定好起焊點。優(yōu)先采用倒接頭的接頭方式。后一道焊縫結束時對前一道焊縫起焊點再一次熔化，去除之前遺留的焊接缺陷包括氣孔和焊縫邊緣部位的未熔合等缺陷。起弧時每層、每道焊縫應錯開50mm以上，避免接頭缺陷在焊縫內(nèi)部自下而上集中。

多層多道焊接應提前構思好焊縫布局，保證一次成型。根部窄而深的焊縫焊接時電流小、電壓大，擺動過程中注意兩側停留時間略長，電弧掃過兩側熔合線保證根部焊透。厚板焊縫較長時應連續(xù)焊接2-3層，穩(wěn)定焊縫層間溫度。根部焊接遇到熔池炸裂時應減緩焊接速度或在炸裂處稍作停留，讓熔池停留時間增長殘留氣體逸出。

焊接難度大不僅是材料厚，坡口深，還在于焊縫背面清根時個人經(jīng)驗以及掌握清根技能的熟練程度。一般情況下多采用碳弧氣刨進行清根。操作時吹除鐵屑角度、順序及加工坡口方向決定了坡口內(nèi)壁是否光滑、夾碳和夾銅。吹除鐵屑時焊縫溝槽內(nèi)氧化渣須反復及時清理，防止氧化渣阻礙氣流反彈造成氧化渣及碳棒燒損物吹回到已清理的焊縫。清根順序宜遵循先擴坡口再修破口、自上而下、先遠后近的原則，多層多次避免一次成型遺漏根部缺陷。

5.設備

每次施焊前應檢查所有相關氣體管路、閥門、氣流大小等，保證氣體出口流量的穩(wěn)定。在窄而深的坡口焊接操作中，根部焊縫焊接時可適當修改焊槍保護嘴的形狀，由原來的圓型口改為矩形口，利于焊槍更深入焊縫底部，氣體保護效果更佳。保護嘴處焊渣須每焊一層清理一次，防止焊渣堆積過多阻礙氣道順暢。

結論

對于典型焊接結構，要保證產(chǎn)品質(zhì)量好，焊接管理工作必須貫穿整個制造過程。從開始設計-采購原材料-進場檢驗-編寫焊接工藝評定-完成焊接工藝評定-工藝紀律檢查-生產(chǎn)制作、產(chǎn)品最終檢驗等全部過程必須加強檢驗驗證。

熟悉通用二氧化碳氣體保護焊設備、掌握生產(chǎn)過程中出現(xiàn)缺陷的成因、注重學習交流行業(yè)內(nèi)優(yōu)秀焊工師傅的個人見解、了解超聲波探傷基本要求更能夠指導生產(chǎn)工藝及返修工藝。

提高探傷過關率不僅僅是提升產(chǎn)品內(nèi)部質(zhì)量，更是為了最安全、最經(jīng)濟得生產(chǎn)和使用產(chǎn)品。

參考文獻

《裝備技術》，湖北東風報業(yè)傳媒有限公司2020.06

王洪光主編，《實用焊接工藝手冊》，化學工業(yè)出版社，ISBN 978-7-122-183064-4，2013.10

中國焊接協(xié)會培訓工作委員會組編，《焊工取證上崗培訓教材》，北京，機械工業(yè)出版社ISBN 978-7 111-03763-7，2008.01

《超聲波檢測技術及應用》北京，機械工業(yè)出版社ISBN 978-7-111-56717-2，2017.4

《NB/T? 47013.3-2015承壓設備無損檢測，第三部分：超聲波檢測》2015-09-01實施，